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气吸式水稻精量穴直播排种器设计与试验

姜业明  
【摘要】:水稻种植面积和总产量在世界谷类作物中位居第二位。水稻是中国主要粮食作物之一,其品质与产量直接影响中国粮食生产安全,对构建和完善粮食安全保障体系具有重要意义。东北单季稻作区是中国绿色优质稻米主产区之一,其机械化程度直接标志着绿色优质水稻发展水平。水稻机械化直播具有简化作业工序,省工节本,可增加经济效益等优点。水稻机械化精量穴直播主要利用播种机将水稻种子按规定粒数、粒距和播深播入田中。其中水稻精量排种器是水稻机械化播种过程的关键工作部件,现有机械式水稻排种器可实现多粒播种,但存在易伤稻种,播种量不稳定等问题;气力式水稻排种器不易伤种且播量稳定,但现有研究多针对少粒(每穴2-4粒)播种,无法满足北方寒地每穴多粒播种的农艺要求。因此,亟须开展适宜北方寒地每穴多粒气力式精量排种器研究。综合上述背景与问题,本研究通过查阅国内外气力式精量排种器研究现状,在现有气吸式排种器研究基础上,结合理论分析、虚拟仿真和台架试验等方式,开展气吸式水稻精量穴直播排种器的设计与研究,以期为中国北方寒地常规稻每穴多粒精量直播技术的研究提供理论参考。主要内容如下:(1)寒地直播水稻品种物料特性测定与主成分评价选取12种适宜于中国北方寒地单季稻种区种植的典型水稻品种为试验材料,自主搭建农业物料试验台测定稻种千粒质量、含水率、三轴算术平均粒径、静摩擦系数、滚动摩擦系数、自然休止角、碰撞恢复系数及刚度系数8项物理特性参数,运用主成分评价与聚类综合分析方法,简化特性参数指标,判断样本综合得分,进行聚合分类研究,构建科学合理的评价体系。物料特性测定与主成分评价研究为后续排种器结构设计、虚拟仿真及台架试验提供参考。(2)气吸式水稻精量穴直播排种器原理分析与设计采用辅助搅种充种、柔性清种和可变量播种等作业方式,对气吸式水稻精量穴直播排种器进行设计,对排种器总体结构与工作原理进行详尽说明,对气吸式排种器异型排种盘、搅种装置和播量调节装置等参数与结构进行优化,有效提高气吸式排种器吸附效果与适用范围。(3)基于CFD-DEM气吸式水稻精量穴直播排种器性能仿真分析建立排种器和水稻种子三维模型,进一步建立种子离散元模型和排种器虚拟仿真模型。分析了吸孔形状对吸种性能的影响规律,基于CFD-DEM耦合原理进行排种器性能仿真试验。探究排种盘型孔排列方式对排种均匀性的影响。以此为基础进行结构改进优化,选取倒角型吸孔和三角排列型型孔为排种盘的较优结构。(4)气吸式水稻精量穴直播排种器台架试验研究选取工作转速、工作压强和搅种毛刷长度为试验因素,合格指数、重播指数和漏播指数为评价指标开展单因素、多因素和台架试验研究。结果表明工作转速、工作压强和搅种毛刷长度均为影响排种性能的重要因素,且各因素间存在交互作用。排种器总体性能随工作转速增加而降低,随工作压强绝对值增加而增加,随搅种毛刷长度增加而增加;当工作转速、工作压强和搅种毛刷长度分别为20.70 r/min、-4.0 k Pa和10.50 mm时,排种性能最优,合格指数为91.26%,重播指数为4.50%,漏播指数为4.24%;排种器对分蘖能力相同的各类型水稻种子作业效果相同,均能满足水稻精量穴直播作业要求,验证了排种器性能的稳定性。


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